7067 УДК 681.586.621.37:543.275.1 ИЗМЕРЕНИЕ ОБЩЕЙ МАССЫ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА В РЕЗЕРВУАРЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИОЧАСТОТНОГО ДАТЧИКА А.С. Совлуков Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Россия, 117997, Москва, Профсоюзная ул., 65 E-mail: [email protected] В.И. Терешин ЗАО «Техносенсор» Россия, 196128, Санкт-Петербург, Благодатная ул., 2 E-mail: [email protected] Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, масса, резервуар, измерение, датчик, радиочастотный Аннотация: Рассматриваются новые технические решения для измерений общей массы, включающей массу жидкой и газовой фаз, сжиженного углеводородного газа в резервуарах. В отличие от традиционно используемого косвенного метода статических измерений массы этого продукта, основанного на измерениях его плотности и объема в мерах вместимости, используется прямой метод измерения общей массы продукта в резервуаре. При использовании радиочастотного датчика массы обеспечивается более точное измерение массы жидкой и газообразной фаз продукта, чем при косвенном методе статических измерений. 1. Введение Сжиженный углеводородный газ (СУГ) представляет собой смесь пропана и бутана, в которой в небольшом количестве присутствуют метан, этан и другие компоненты [1, 2]. При этом, плотность жидкости зависит не только от температуры, но и от компонентного состава газа, компонентный состав пара отличается от состава жидкости и изменяет свой состав и плотность при изменении температуры и при приеме или отпуске продукта. При применении косвенного метода статических измерений массы продукта возникают значительные методические погрешности из-за непостоянства контролируемых параметров. Для высокоточных измерений технологических параметров СУГ, содержащегося в резервуаре, разработаны радиочастотные метод и измерительные устройства [3, 4]. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7068 2. Радиочастотный метод измерения общей массы СУГ Рассматриваемый радиочастотный метод характеризуется упрощенным процессом измерения массы. Устройство для реализации метода содержит радиочастотный датчик 4 – коаксиальный резонатор (цилиндрический конденсатор), заполняемый СУГ, шесть датчиков температуры 51, 52, 53, 54, 55, 56, равномерно расположенных по длине датчика, электронный блок 6 и регистратор 7. Рис. 1. Измерительная система. Приращение Cs эквивалентной электрической емкости радиочастотного датчика, вызванное наличием в резервуаре жидкой и газовой фазы СУГ: (1) Cs = Cl×[(εж–1)×h + (εг-1)×(l – h)]. Здесь Cl – погонная (т.е. на единицу длины) электрическая емкость датчика; h – уровень жидкой фазы СУГ, заполняющей датчик; l – длина радиочастотного датчика; εж – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы СУГ; εг – диэлектрическая проницаемость газовой фазы СУГ. Диэлектрические проницаемости жидкой и газовой фаз пропана и бутана и их смесей, входящих в состав СУГ, рассчитываются, соответственно, по формулам: (2) εж=1+ ρж/[К×(1+Ts×t)], (3) εг=1+ ρг/[К×(1+Ts×t)], где К = ρж0/(εж0-1) = 0,741 г/см3; Ts – коэффициент температурной коррекции, Ts = 0,0006. Отметим, что коэффициент Ts устраняет температурную погрешность, которая составляет для плотности и для массы 0,06 % на градус (температурный коэффициент изменения плотности сжиженных газов составляет 0,26 % на градус). Для усреднения значений и повышения точности температура измеряется шестью датчиками температуры, по значениям которых вычисляется среднее значение для всех датчиков значение температуры. Производится допусковый контроль: если значение температуры с какого-либо датчика отличаются более, чем на 3 градуса от значений температуры от соседних датчиков, показания этого датчика отбрасываются (не участвуют в измерении). XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7069 Подставим (2) и (3) в формулу (1) и найдем уровень h: Cs = Cl×[( ρж/[К×(1+Ts×t)])×h + ( ρг/[К×(1+Ts×t)])×(l – h)] h = [1/(ρж – ρг)]×{[Cs×K×(1+Ts×t) / Cl] – ρг×l} Масса СУГ в резервуаре: (6) М = V×ρж + (V0–V)× ρг = S×h×ρж + S×(l–h)×ρг где S – площадь поперечного сечения резервуара; V – объем жидкости; V0 – объем резервуара. Подставив (5) в (6), получаем: (7) М = [1/(ρж – ρг)]×{[Cs×K×(1+Ts×t) / Cl] – ρг×l} × S ×(ρж – ρг ) + S×l×ρг После преобразований в (7) получаем: (8) М = S×Cs×K×(1+Ts×t)/Cl. Таким образом, общая масса СУГ в резервуаре при различных соотношениях массы газовой и жидкой фазы и при различном компонентном составе определяется по формуле (8) и зависит только от приращения емкости Cs и от температуры t. Для определенности будем рассматривать измерение общей массы СУГ в вертикальном резервуаре цилиндрической формы. Для резервуаров иной формы или (и) располагаемых иным образом, в частности, для горизонтально расположенных цилиндрических резервуаров, получаемые результаты пересчитывают с учетом геометрии и расположения резервуаров. Датчик позволяет определять общую массу СУГ, содержащегося в емкости, с высокой точностью независимо от фазового состояния продукта и соотношения жидкой и газовой фаз, наличия кипения. (4) (5) 3. Инвариантность к компонентному составу СУГ Электрическая емкость датчика (приращение емкости) пропорциональна уровню его заполнения СУГ и диэлектрической проницаемости жидкой фазы СУГ. Паровая фаза СУГ тоже дает приращение электрической емкости датчика, пропорциональное плотности паровой фазы СУГ и длине части датчика, находящейся в паре. Сжиженные углеводородные газы являются диэлектриками, их диэлектрическая проницаемость зависит от состава СУГ и от температуры. Диэлектрическая проницаемость СУГ пропорциональна его плотности, а приращение электрической емкости датчика, пропорциональное произведению уровня на плотность, – массе. На рис. 2 изображены графики зависимости диэлектрической проницаемости пропана и бутана от температуры. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7070 Рис. 2. Зависимости диэлектрической проницаемости пропана и бутана от температуры. На рис. 3 отражены результаты моделирования температурной погрешности измерения общей массы СУГ в измерительной системе с радиочастотным датчиком, настроенным на измерение массы пропана: погрешности измерения массы пропана и массы бутана без температурной коррекции; погрешности измерения массы пропана и массы бутана с температурной коррекцией + 0,06 % на 1 ºС (коррекция по температуре для пропана). Рис. 3. Зависимости погрешности измерения общей массы СУГ в измерительной системе с датчиком, настроенным на измерение пропана, от температуры. Как видно из графиков, измерительная система, настроенная на измерение массы пропана, с погрешностью не более ± 0,2…0,3 % будет измерять массу бутана в широком диапазоне температур и, соответственно, массу смесей пропана и бутана. Инвариантность к компонентному составу СУГ является важным преимуществом метода. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7071 4. Практическая реализация Измерительные системы СУ-5Д выпускает компания «Техносенсор», г. СанктПетербург, техническая информация на сайте www.tsensor.ru. Датчик ДЖС-7М (рис. 4) системы СУ-5Д устанавливается на резервуаре, крепление резьбовое, 2 дюйма. Любой датчик ДЖС-7М может поставляться с каналом измерения давления. Для измерения давления используется миниатюрный сенсор фирмы Honeywell, встраиваемый в датчик ДЖС-7М. Рис. 4. Радиочастотный датчик ДЖС-7М. Система СУ-5Д обеспечивает: выдачу на индикатор значений общей массы, объема и плотности контролируемой среды; формирование и выдачу на выходах оптореле команд сигнализации и блокировки; выдачу информации в последовательном коде в ПЭВМ; регистрацию информации (уровень, объем, общая масса, плотность, температура) на жестком диске ПЭВМ; вывод на дисплей ПЭВМ текущей и архивной информации по любому резервуару за любой день в виде таблиц и в виде графиков; передачу информации по сети и через Интернет. Используется расширенный алгоритм вычислений, который позволяет из общей массы выделить отдельно массу жидкости и массу пара, по температуре и давлению рассчитать плотность жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа (рис. 5). Общая масса СУГ в резервуаре при использовании расширенного алгоритма вычисляется по основному алгоритму, по формуле (8). Вычисленные согласно расширенному алгоритму дополнительные информационные параметры в общей формуле сокращаются. Дополнительные параметры, вычисляемые по расширенному алгоритму: масса жидкости; масса пара (газообразная фаза); плотность жидкости; плотность пара; уровень сжиженного газа; объем сжиженного газа. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7072 Рис. 5. Отображение информации на экране ПЭВМ. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7073 5. Варианты исполнения устройств для измерения технологических параметров СУГ М – канал измерения массы Т – канал измерения температуры (6 датчиков температуры) М – канал массы Т – канал температуры Р – канал измерения давления (Honeywell) Точное измерение уровня и объема обеспечивается, если известен состав СУГ (задается вручную) Используется алгоритм автоматического определения состава СУГ по давлению и температуре паровой фазы М – канал массы Т – канал температуры Р – канал давления H – канал измерения уровня Поставки в 2015 г. На одном коаксиальном резонаторе можно выполнить 2 канала измерения – радиочастотный датчик массы и микроимпульсный уровнемер Рис. 6. Варианты исполнения устройств для измерения технологических параметров СУГ. На рис. 6 показаны варианты исполнения устройств для измерения технологических параметров СУГ. Базовая комплектация имеет канал измерения массы и каналы измерения температуры. В расширенных комплектациях добавляются канал измерения давления и канал измерения уровня (микроимпульсный уровнемер). Все модификации имеют одинаковое конструктивное исполнение и схему подключения. Введение дополнительно датчика давления позволяет, кроме выдачи информации о давлении СУГ внутри резервуара, по температуре и давлению рассчитать плотность жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа. Без изменения конструктивного исполнения датчика возможно добавление дополнительного канала измерения уровня – микроволнового радара. Микроволновый радар и основной измерительный канал работают по очереди на один и тот же чувствительный элемент – коаксиальный резонатор. Функциональная схема устройства для измерения общей массы СУГ в резервуаре приведена на рис. 7. Расширенный алгоритм вычислений позволяет из общей массы выделить отдельно массу жидкости и массу пара, по температуре и давлению рассчитать плотность жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа. Для поверки используется кориолисовый массомер Micro Motion F050S, смонтированный на подставке вместе с кранами и манометрами. Массомер подключается с помощью гибких шлангов к цистерне газовоза и к рабочему резервуару, на котором установлен радиочастотный датчик массы СУГ. В процессе скачивания СУГ из резервуара газовоза через массомер в рабочий резервуар несколько раз останавливают перекачку и снимают показания массомера и датXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7074 чика массы СУГ на резервуаре. Показания должны отличаться не более, чем сумма максимально допустимых погрешностей измерений массомера и датчика массы СУГ на резервуаре. Рис. 7. Функциональная схема устройства для измерения общей массы СУГ в резервуаре. 6. Заключение Рассмотренный радиочастотный метод измерения общей массы сжиженных углеводородных газов позволяет обеспечить достоверный автоматизированный учет СУГ XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г. 7075 по массе. Требуется установка только одного конструктивно небольшого датчика, это дает возможность оснастить большую часть объектов без доработок резервуаров. Датчики сертифицированы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как средство измерения массы. Имеется свидетельство об утверждении типа средств измерений и аттестованная методика выполнения измерений. Список литературы 1. 2. 3. 4. Зоря Е.И., Яковлев А.Л., Ларионов С.В. Определение массы сжиженных углеводородных газов при приеме, хранении и отпуске потребителям. М.: ООО «Издательский дом Недра». 2012. 197 с. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. М.: Нефть и газ. 2009. 640 с. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. Совлуков А.С., Терешин В.И. Радиочастотный метод измерения количественных параметров сжиженных углеводородных газов в резервуарах // Измерительная техника. 2005. № 10. C. 68-71. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва 16-19 июня 2014 г.